Эхо в ферми-море: как тяжёлый атом отзывается на свет ✛ ✎

Оригинал: "Anderson orthogonality scaling in the Rabi-driven heavy Fermi polaron"
arXiv:2609.09129v1 · 2026-09-08 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
В ультрахолодном газе примесный атом отвечает на возбуждение степенным законом, предсказанным полвека назад.

В ультрахолодном облаке из 180 тысяч атомов лития плавает около тысячи атомов цезия. Они тяжелее соседей в 22 раза, и это делает их почти неподвижными среди быстрых частиц. Когда такой тяжёлый атом поглощает свет, он начинает колебаться между двумя состояниями, и темп этих колебаний называют частотой Раби. Но в окружении ферми-моря эта частота меняется не так, как у одиночного атома.

Ферми-море — это газ частиц, которые заполняют все доступные энергетические уровни вплоть до некоторого предела, как вода заполняет бассейн до краёв.

Экспериментаторы возбуждали примесь лазером и следили, с какой частотой она осциллирует. Оказалось, что чем сильнее возбуждение, тем больше отношение измеренной частоты к частоте одиночного атома, и растёт оно по степенному закону. Показатель степени зависит от силы взаимодействия примеси с окружением: для притяжения он один, для отталкивания — другой. Это и есть подпись ортогональной катастрофы Андерсона, эффекта, при котором даже слабое возмущение заставляет всё ферми-море перестроиться.

Ортогональная катастрофа Андерсона — коллективный отклик ферми-моря на локальное возмущение: состояние системы до и после возмущения становятся ортогональными, то есть не перекрываются.

Раньше этот эффект удавалось увидеть лишь в идеализированных расчётах при нулевой температуре и бесконечно тяжёлой примеси. Здесь же температура составляла четверть температуры Ферми, а масса примеси конечна, и всё равно степенной закон проявился. Это значит, что катастрофа не хрупкая, а довольно живучая. Численные модели при конечной температуре воспроизводят наблюдаемый скейлинг, хотя скорость затухания осцилляций они описывают хуже.

Примесь в ферми-море ведёт себя как эхо: если крикнуть громче, отклик приходит не просто сильнее, а с другой частотной окраской. Такая зависимость делает примесь чувствительным зондом коллективных свойств квантовой жидкости. Управляя ею светом, можно изучать, как ферми-море откликается на локальные воздействия, и проверять теории многих тел в лаборатории.

Частота Раби без ферми-моря составляла около 7.62 кГц, а с ферми-морем при слабом возбуждении падала почти вдвое. Энергия Ферми в эксперименте равна 31 кГц, что соответствует температуре 1.49 микрокельвина.

В романе Станислава Лема «Солярис» океан реагирует на воздействие исследователей непредсказуемым образом. Здесь примесь, погружённая в ферми-море, отвечает на когерентное возбуждение степенным законом — коллективный отклик, который невозможно свести к сумме индивидуальных реакций.

\frac{\Omega}{\Omega_0} \propto \left(\frac{\hbar\Omega_0}{E_F}\right)^{\alpha/(2-\alpha)}
Отношение частоты Раби к затравочной зависит от силы возбуждения по степенному закону с показателем, определяемым фазовым сдвигом рассеяния
\alpha = \frac{\delta(k_F)^2}{\pi^2}
Показатель степени выражается через фазовый сдвиг рассеяния на поверхности Ферми